LED驱动电源的设计 毕业设计.doc

led驱动电源的设计前言大功率led特点及与其他光源比较led被称为“绿色光源”当之无愧。在照明行业中，将其与传统光源比较分析，某些方面表现出难以替代的优点：led作为光源用于照明具有以下点：（1）耗电量低：光效为75lm/w的led较同等亮度的白炽灯耗电减少约80%；（2）寿命长：产品寿命长达5万小时，24小时连续点亮可用7年；（3）亮度和色彩的动态控制容易：可实现亮度连续可调，色彩纯度高，可实现色彩动态变换和数字化控制；（4）外形尺寸灵活：可实现与建筑的有机融合，达到只见光不见灯的效果；（5）环保：无有害金属汞，无红外和紫外线辐射；（6）颜色：鲜艳饱和、纯正，无需滤光镜，可用红绿蓝三色元素调成各种不同的颜色，可实现多变、逐变、混光效果，显色效果极佳。集这么多优点于一身，更让我们感受到大力推广使用led是一项很有价值的工作。因此，我们此次设计大功率led驱动电路就是为了了解led以及驱动的原理，从而学会制作大功率led驱动电路。而且通过制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。1 方案论证与选择大功率led驱动方案现在还不成熟，考虑成本和性能有以下驱动方式， 恒压驱动、恒流驱动、集成芯片驱动，各自有各自的优缺点。1.1 恒压驱动采用阻容降压加上一个稳压二极管稳压的恒压驱动方式给led供电（如图1.1-1），这样驱动led的方式存在缺陷，主要是效率低，在降压电阻上消耗大量电能，甚至有可能超过led所消耗的电能，且无法提供大电流驱动，因为电流越大，消耗在降压电阻上的电能就越大，所以很多产品的led不敢采用并联方式，均采用串联方式降低电流。其次是稳定电压的能力差无法保证通过led电流不超过其正常工作值，设计产品时都会采用降低led两端电压来供电驱动，这样是以降低led亮度为代价的。采用阻容降压方式驱动led的亮度不能稳定，当供电电源电压低时led的亮度变暗，供电电源电压高时led的亮度变亮些，led正向电压的任何变化都会导致led电流的变化。由温度或电压变化引起的特定压变，导致正向电流降低，正向电压变化11会导致更大的正向电流变化，达30。电流的变化较大，使led的亮度不能恒定，阻容降压方式驱动led的最大优势是成本低。图1.1-1（恒压驱动原理图）常用的稳压电路，存在稳压精度不够和稳流能力较差的缺点，故不采用。1.2 恒流驱动led恒流驱动方式，是比较理想的驱动方式，它能避免led正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使led的亮度稳定。因此众多厂家选用恒流方式的led驱动。1.2.1 双三极管恒流驱动这种恒流源（如图1.2.1-1）原理ib1、ib2较小，可忽略。当ie2电流增大，ube1增大，ic1增大，b点点位上升，ube2下降，迫使ie2回落。优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其ube电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动，不适合精密的恒流需求。电流数值为：i=ube/r1图1.2.1-1（双三极管恒流驱动原理图）因恒流精确不够，故不采用此方案。1.2.2 利用tl431恒流驱动tl431恒流驱动（如图1.2.2-1），电阻rcl的选择是以设计所需电流和rcl上的电压达到2.5v为准。三极管根据电路功率大小及管子自身的耗散来确定，当然选用功率大点的管子比较安全。rcl其实不是负载电阻，而是电压取样电阻。一旦你需要的电流大小一定，这个阻值就定了，rcl=2.5/iout，负载是接三极管的集电极，当电压开始升高时，流经三极管的偏流电流也增大，从而导致流经rcl的电流也大幅增大，rcl的电压降也增大。但一旦rcl电压升高，tl431就会动作而使它的阴阳极的电流大幅增加（分流三极管的偏流电流），最终结果是使rcl的电压回到2.5v为止。因为三极管的基极偏流电流大小是很小的，它的微小变化就会带来其发射极电流的大变化，所以基极电流的变化对恒流大小的变化可以忽略不计的，所以这样的电路其输出电流几乎不受输入电压的变化影响，但当输入电压升高tl431消耗能量增加，电路效率降低。图1.2.2-1（tl431恒流驱动原理图）此方案恒流精确度稳定，但因工作效率低，故不采用此方案。1.2.3 利用lm317恒流驱动输出电流io=vref/r+iadj，式中vref是基准电压，为1.25v，iadj是从调整端流出的电流，通常小于50a,虽然iadj也随vi的环境变化而变化，且也是io的一部分，但与io相比，可忽略不计，恒流精度准确，效率高（如图1.2.3-1）。图1.2.3-1（lm317做恒流驱动原理图）但由于不够集成化，不采用此方案。1.3 集成芯片驱动1.3.1 lt1117-3.3特点：节省空间的sot-223表面贴装封装，可在空间受限的应用中使用需要一个最小 10f 的输出电容以实现稳定性固定输出3.3v高达800ma的输出电流低至1v的压差在多种电流水平保证电压差0.2的电压调节最高0.4负载调整最大以上器件输出电压满足大功率led的典型电压值，但低压锂电驱动压差很难稳定保持1v，芯片工作异常，且驱动电流过大；做高压驱动芯片虽工作正常，但电流做3w led驱动依然过大，故不采用。1.3.2 ly5611特点：工作电压范围：2.7v6v芯片内部集成有功率晶体管低压差用外部电阻设置的输出电流30ma800ma输出电流精度：8%芯片过温保护led短路/开路保护工作的环境温度范围：40到85 采用5管脚的 sot89 封装，无铅典型驱动电路（如图1.3.2-1）图1.3.2-1（ly5611驱动电路图）以上条件满足led典型工作电压，电流可调节，且具有亮度调节功能，依据工作电压可以做低压驱动13w led，但因元件采购问题，性价比考虑，不做采用。1.3.3 amc7135特点：无需外部元件要求350ma的恒定电流输出短路/开路保护低压差电压低静态电流内建过热保护电源电压范围为2.7v6v的2千伏hbm的esd保护先进的bi-cmos工艺采用sot-89和to-252封装典型驱动电路（如图1.3.3-1）图1.3.3-1（amc7135驱动电路图）因其无需任何外部器件，输出驱动电流恒定350ma，高效率，故本次低压驱1w led设计采用此方案。1.3.4 amc7150特点：只需要5个外部元件输出驱动电流高达1.5a4v的40v的宽工作电压范围高效率hbm的2千伏esd保护典型驱动电路（如图1.3.4-1）图1.3.4-1（amc7150驱动电路图）依以上条件做低压驱动不够稳定，故不采用，它可做高压驱动，且具有电流调节功能。1.3.5 pt4115特点：极少的外部元器件很宽的输入电压范围：从6v30v最大输出1.2a的电流复用dim引脚进行led开关、模拟调光和pwm调光5%的输出电流精度led开路自然保护高达97%的效率输出可调的恒流控制方法增强散热能力的esop8封装可用于大功率驱动典型驱动电路（如图1.3.5-1）与amc7150性比，效率高10-20%，led精度高5-10%，封装小，外部元器件少，故采其做高压驱动13w led。综上诉述；一节锂电池驱动1w led，采用amc7135，612v驱动13w led，采用pt4115。图1.3.5-1（pt4115驱动电路图）2 电路的设计与元器件选择2.1 一节锂电驱动1w3w白色led的驱动电路该amc7135是一个低压差电流，稳压器额定350ma的恒定电流，低静态电流和低压差，电压是通过先进的bi-cmos过程。以下是amc7135的二条特性曲线：图2.1-1（电流时间函数图）图2.1-2（电压时间函数图）amc7135稳压ic但可以提高最重要的使用时间两倍以上，还可以保证led受大电 (高达1a以上) 之击穿。也会使led因电流过大而过热，造成严重光衰的效应，手电筒中的led电一直稳于350ma，也就是led电均会在led出厂之操作規格中使用，但提高电池实际上的使用时间，也可使故障至最低。当实际使用amc7135时，偶尔会发生电压输入端极性接反，就需考虑到使用者把电池正负端极性装反的状況。为了预防电路因此而发生故障，为了防止电池正负极性接反时电池能被快速消耗掉，在电源以及ic之输入脚间增加一顆二极管，如 1n4148，如图2.1-3所示之保护装置。图2.1-3（amc7135改进电路）2.2 6v12v驱动1w3w白色led的驱动电路pt4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联led。pt4115输入电压范围从6伏到30伏，输出电流可调，最大可达1.2安培。根据不同的输入电压和外部器件，pt4115可以驱动高达数十瓦的led。pt4115 内置功率开关，采用高端电流采样设置led平均电流，并通过dim引脚可以接受模拟调光和很宽范围的pwm调光。当dim的电压低于0.3伏时，功率开关关断，pt4115进入极低工作电流的待机状态。pt4115采用sot89-5封装和esop8封装。图2.2-1（pt4115驱动led个数与效率关系图）可见pt4115在负载越多的时候本身的消耗越小，功率越大。故我们采用pt4115同时驱动三个1w led（如图2.2-2），可保证pt4115效率在90%。图2.2-2（pt4115驱动3个1w led）外部器件选择rs：通过外部电流采样电阻rs设定led平均电流 led的平均电流由连接在vin和csn端的电阻rs决定：iout=0.1/rs(rs0.082)上述等式成立的前提是dim端浮空或外加dim端电压高于2.5v（但必须低于5v）。实际上，rs是设定了led的最大输出电流，通过dim端，led实际输出电流能够调小到任意值。旁路电容：在电源输入必须就近接一个低等效串联电阻（esr）的旁路电容，esr越大，效率损失会变大。该旁路电容要能承受较大的峰值电流，并能使电源的输入电流平均，减小对输入电源的冲击。直流输入时，该旁路电容的最小值为4.7f，在交流输入或低电压输入，旁路电容需要100f的钽电容或类似电容。该旁路电容尽可能靠近芯片的输入管脚，选取规则见表2.2-1。表2.2-1 电容的选取规则输出电流电感值饱和电流iout1a27-47h大于输出电流1.3-1.5倍0.8a iout1a33-82h0.4a iout0.8a47-100hiout0.4a68-220h选取电感：pt4115推荐使用的电感参数范围为27uh100h。电感饱和电流必须要比输出电流高30%到50%。led输出电流越小，建议采用的电感值越大。在电流能满足要求的前提下，希望电感取得大一些，这样恒流的果会更好一些。电感器在布板时请尽量靠近vin和sw，避免寄生电阻所造成的效率损失。选取二极管：为了保证最大的效率以及性能，二极管（d）应选择快速恢复、低正向压降、低寄生电容、低漏电的肖特基二极管，电流能力以及耐压视具体的应用而定，但应保持30%的余量，有助于稳定可靠的工作。另外值得注意的一点是应考虑温度高于85时肖特基的反向漏电流。过高的漏电会导致增加系统的功率耗散。ac12v整流二极管（d）一定要选用低压降的肖特基二极管，以降低自身功率耗散。模拟调光：dim端可以外加一个直流电压(vdim)调小led输出电流，最大led输出电流由（0.1/rs）设定，led平均输出电流计算公式：vdim在（0.5vvdim2.5v）范围内led保持100%电流等于iout=0.1/rs。软启动模式：通过在dim接入一个外部电容，使得启动时dim端电压缓慢上升，这样led的电流也缓慢上升，从而实现软启动。通常情况下，软启动时间和外接电容的关系大约为0.8ms/nf。图2.2-3（dim模拟调光电路图）2.3 主要元器件的选择（1）1w大功率白色led4个；（2）amc7135集成块1块；（3）锂电池1块；（4）pt4115集成块1块；（5）100f电容；（6）0.33电阻；（7）68h电感；（8）低压降的肖特基二极管1个；（9）104电位器1个；3 经验体会3.1 设计过程中遇到的问题及其解决方法（1）在电容的等效链接过程中，简单的认为其链接方法、原理与电阻的相同，后经测试查阅资料才知道，其与电阻正好相反。（2）在布板接线时，一直按着电路图对应着放置器件，在焊接时发现器件时总会出现器件拥挤的现象，后经适当调整位置，分散器件位置，合理布局，解决了问题。（3）在焊接sot89封装器件时，焊接技术不好总会出现连焊情况，在多加练习后解决了问题。（4）pt4115调光效果不明显，只能将其点亮或熄灭，并不能实现亮暗调节，检查原因，发现是电位器阻值过大，调节精度不够，改换全值小的电位器后，调光效果明显改善。3.2 设计体会在此次的大功率白色led驱动电路设计过程中，更进一步地熟悉了led的结构，led有很高的发光效率可达到100-200lm/w，它耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强、环保等优点，led对于人们的生活有很大的帮助。还掌握了各元件的工作原理和其具体的使用方法。在连接电路的接法中，要求熟悉逻辑电路及led的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。通过此次实训我们学到了课堂上学不到的知识，实训和实验不同，实验是为了提高大家的动手能力，而实训需要通过大家的构想、设计、计算再通过实践去完成，这对我们学习是一大考验。了解了如何驱动大功率白色led电路，不只有一种方法能实现，但要用一节锂电驱动白色led电路最合理的是用amc7135。从中我们还学到许多器件的知识，例如a